Зварювальний трансформатор робимо самі

Загальні питання виготовлення зварювальних трансформаторів

   Зварювальний апарат – бажане придбання для будь-якого господарства. Переваги ручного електрозварювання очевидні і безперечні: простота в користуванні, найширша сфера застосування, висока продуктивність і надійність з'єднань - і все це при можливості роботи практично скрізь, де є електромережа. Проблем із вибором та придбанням зварювальних апаратів сьогодні начебто не існує. У продажу з'явилося чимало побутових та професійних зварювальних апаратів промислового виготовлення. Навперебій пропонують свою продукцію і всілякі кустарні майстерні та умільці. Та ось тільки ціни на фабричні апарати «кусаються», як правило, у кілька разів, перевершуючи нинішній середньомісячний заробіток. В основному саме ця сумна невідповідність між власним достатком і ціною завжди змушує багатьох людей братися за зварювання власними руками.

Замовити зварювальний трансформатор

  У сучасній літературі можна зустріти чимало матеріалу зі зварювальної справи. В останні роки ряд статей, присвячених удосконаленню та розрахунку елементів зварювальних трансформаторів. Я пропоную найголовніше: як і з чого в домашніх умовах виготовити зварювальні трансформатори. Всі описані надалі схеми зварювальних трансформаторів пройшли практичну перевірку та реально придатні для ручного електрозварювання. Деякі зі схем відпрацьовувалися «в народі» протягом десятиліть і стали свого роду «класикою» самостійного «трансформаторобудування».
  Як і будь-який трансформатор, зварювальний трансформатор складається з первинної та вторинної (можливо з відводами) обмоток, намотаних на великому магнітопроводі з трансформаторного заліза. Від звичайного трансформатора зварювальний відрізняє режим роботи: він працює у дуговому режимі, тобто. у режимі практично максимально можливої потужності. А звідси і сильні вібрації, інтенсивне нагрівання, необхідність застосування дроту великого перетину. Запитується такий трансформатор від однофазної мережі 220-240 В. Вихідна напруга вторинної обмотки в режимі холостого ходу (х.х.) (коли до виходу не підключене навантаження) у саморобних зварювальників лежить, як правило, в межах 45-50 В, рідше до 70 В. Взагалі, вихідні напруги для промислових зварювальних агрегатів обмежені (80 для змінного, 90 для постійної напруги). Тому великі стаціонарні агрегати мають виході 60-80 У.
  
      Основною потужністю зварювального трансформатора прийнято вважати вихідний струм вторинної обмотки у дуговому режимі (режимі зварювання). При цьому електрична дуга горить у зазорі між кінцем електрода і металом, що зварюється. Величина зазору 0,5 ... 1,1 d (d - Діаметр електрода), вона підтримується вручну. Для переносних конструкцій робочі струми становлять 40-200 А. Зварювальний струм визначається потужністю трансформатора. Від вихідного струму зварювального трансформатора залежать вибір діаметра електродів, що використовуються, і оптимальна товщина зварюваного металу.
     Найбільш поширеними є електроди зі сталевими прутами 3 мм («трійка»), для яких потрібні струми 90-150 А (частіше 100-130 А). В умілих руках «трійка» горітиме і при 75 А. При струмах, більших 150 А, такі електроди можна застосовувати для різання металу (тонкі листи заліза 1-2 мм можна різати і при менших струмах). Працюючи електродом 3 мм через первинну обмотку трансформатора протікає струм 20-30 А (частіше близько 25 А).
     Якщо вихідний струм нижче необхідного, то електроди починають «липнути» або «клеїтися», приварюючись кінчиками до металу, що зварюється: так, звірячий трансформатор починає працювати з небезпечним перевантаженням в режимі короткого замикання. При струмах більше допустимих електроди починають різати матеріал: так можна зіпсувати весь виріб.
     Для електродів із залізним стрижнем 2 мм необхідний струм 40-80 А (частіше 50-70 А). Ними можна акуратно зварювати тонку сталь завтовшки 1-2 мм. Електроди 4 мм добре працюють при струмі 150-200 А. Вищі струми використовують для малопоширених (05-6 мм) електродів та різання металу.
     Крім потужності, важливою властивістю зварювального трансформатора є динамічна характеристика. Динамічна характеристика трансформатора багато в чому визначає стабільність горіння дуги, отже, і якість зварних з'єднань. З динамічних характеристик можна виділити крутопадаючу і пологопадаючу. При ручному зварюванні відбуваються неминучі коливання кінця електрода і зміна довжини горіння дуги (у момент запалення дуги, при регулюванні довжини дуги, на нерівностях, від тремтіння рук). Якщо динамічна характеристика крутопадаючого трансформатора, то при коливаннях довжини дуги відбуваються незначні зміни робочого струму у вторинній обмотці трансформатора: дуга горить стабільно, зварний шов лягає рівно. При пологопадаючій або жорсткій характеристиці трансформатора: при зміні довжини дуги різко змінюється і робочий струм, що змінює режим зварювання - в результаті дуга горить нестабільно, шов виходить неякісним, працювати з таким зварювальним апаратом вручну важко або взагалі неможливо. Для ручного дугового зварювання необхідна динамічна характеристика трансформатора, що крутиться. Пологопадаюча застосовується для автоматичного зварювання.
   Взагалі в реальних умовах якось виміряти або кількісно оцінити параметри вольт-амперних характеристик, втім, як і багато інших параметрів зварювальних трансформаторів, навряд чи є можливим. Тому на практиці їх ділять на такі, що зварюють краще та працюють гірше. Коли трансформатор працює добре, зварювальники кажуть: «Варить м'яко». Під цим слід розуміти високу якість шва, відсутність розбризкування металу, дуга постійно горить стабільно, метал наплавляється рівномірно. Всі описані надалі конструкції трансформаторів реально придатні для ручного дугового зварювання.
   

Режим роботи зварювального трансформатора

      Режим роботи зварювального трансформатора можна охарактеризувати як короткочасний повторюваний. У реальних умовах після зварювання, як правило, слідують монтажні, складальні та інші роботи. Тому трансформатор після роботи в дуговому режимі має якийсь час для охолодження в режимі холостого ходу. У дуговому режимі зварювальний трансформатор інтенсивно нагрівається, а режимі холостого ходу охолоджується, але набагато повільніше. Найгірша ситуація, коли трансформатор застосовують для різання металу, що дуже поширене. Щоб перерізати дугою товсті прути, листи, труби і т.д., при не надто високому струмі саморобного трансформатора, доводиться занадто перегрівати апарат. Будь-який апарат промислового виготовлення характеризується таким важливим параметром як коефіцієнт тривалості роботи (ПР), що вимірюється в %. Для вітчизняних заводських переносних апаратів масою 40-50 кг ПР зазвичай не перевищує 20%. Це означає, що зварювальний трансформатор може працювати в дуговому режимі не більше 20% загального часу, решта 80% він повинен перебувати в режимі холостого ходу. Більшість саморобних конструкцій ПР слід приймати ще менше. Інтенсивним режимом роботи трнасформатора будемо вважати такий, коли час горіння дуги того ж порядку, що і час перерв.
   Саморобні зварювальні трансформатори виконують за різними схемами: на П- і Ш-подібних магнітопроводах або  тороїдальні, з різними комбінаціями розташування обмоток Схема виготовлення трансформатора і кількість витків майбутніх обмоток головним чином визначаються магнітопроводом, що є в розпорядженні. Надалі у статті будуть розглянуті реальні схеми саморобних трансформаторів, матеріали для них. Зараз визначимо, які обмотувальні та ізоляційні матеріали нам знадобляться.

    Враховуючи високі потужності, для обмоток трансформаторів застосовують відносно товстий провід. Розвиваючи під час роботи значні струми, будь-який зварювальник поступово нагрівається. Швидкість нагрівання залежить від ряду факторів, найважливішим з яких є діаметр або площа поперечного перерізу дротів обмоток. Чим товстіший провід, тим краще він пропускає струм, тим менше він нагрівається і, нарешті, тим краще він розсіює тепло. Основною характеристикою є щільність струму (А/мм2): що стоїть щільність струму у проводах, тим інтенсивніше відбувається розігрів трансформатора. Обмотувальні дроти можуть бути мідними або алюмінієвими. Мідь дозволяє використовувати в 1,5 разів більшу щільність струму і менше гріється: первинну обмотку краще намотати мідним дротом. У промислових апаратах щільність струму вбирається у 5 А/мм2 для мідного проводу. Для саморобних варіантів задовільним результатом можна вважати 10 А/мм2 для міді. Зі збільшенням щільності струму різко прискорюється нагрівання трансформатора. В принципі, для первинної обмотки можна використовувати провід, через який потече струм із щільністю до 20 А/мм2, але тоді трансформатор нагріється до температури 60 ° С вже після використання 2-3-х електродів. Якщо ви вважаєте, що зварювати вам доведеться небагато, нешвидко, і найкращих матеріалів у вас все одно не знайдеться, то можна первинну обмотку намотати дротом і з сильним навантаженням. Хоча це, звісно, неминуче зменшить надійність апарату.

    Крім перерізу, іншою важливою характеристикою дроту є спосіб ізоляції. Провід можна покрити лаком, намотати в один або два шари нитки або тканини, які, своєю чергою, просочити лаком. Від типу ізоляції залежить надійність обмотки, її максимальна температура перегріву, вологостійкість, ізоляційні якості (див. таблицю). Найкращою є ізоляція зі склотканини, просоченої теплостійким лаком, проте дістати такий провід складно, а якщо купувати, то коштуватиме він недешево. Найменш бажаним, але найдоступнішим матеріалом для саморобок є звичайні дроти ПЕЛ, ПЕВ 1,6-2,4 мм у простій лаковій ізоляції. Такі дроти найбільш поширені, їх можна зняти з котушок дроселів, трансформаторів устаткування, що відслужило. Обережно знімаючи старі дроти з каркасів котушок, необхідно стежити за станом їх покриття та злегка пошкоджені ділянки додатково ізолювати. Якщо котушки з проводом були додатково просочені лаком, їх витки між собою склеїлися, і при спробі роз'єднання затверділа просочення часто зриває і власне лакове покриття дроту, оголюючи метал. У поодиноких випадках, за відсутності інших варіантів «саморобники» намотують первинні обмотки навіть монтажним дротом у хлорвінілової ізоляції. Його недоліки: зайвий обсяг ізоляції та погане тепловідведення.
                                                                            
   Якість укладання первинної обмотки трансформатора завжди слід приділяти найбільшу увагу. Первинна обмотка містить більше витків, ніж вторинна, щільність її намотування вище, вона більше гріється. Первинна обмотка знаходиться під високою напругою, при її міжвитковому замиканні або пробої ізоляції, наприклад, через вологу, що потрапила, вся котушка швидко «згорає». Як правило, відновити її без розбирання всієї конструкції неможливо.
  Вторинну обмотку намотують єдиним або багатожильним дротом, переріз якого забезпечує необхідну щільність струму. Існує кілька способів вирішення цієї проблеми. Перший можна використовувати монолітне проведення перетином 10-24 мм2 з міді або алюмінію. Такі дроти прямокутного перерізу (зазвичай звані шиною) використовують для промислових зварювальних трансформаторів. Однак у більшості саморобних конструкцій провід обмоток доводиться багато разів протягувати через вузькі вікна магнітопроводу. Спробуйте уявити, як це зробити приблизно 60 разів з твердим мідним проводом перетином 16 мм2. У цьому випадку краще віддати перевагу алюмінієвим дротам: вони набагато м'якші, та й коштують дешевші. Другий спосіб - намотати вторинну обмотку багатожильним проводом відповідного перерізу у звичайній хлорвінілової ізоляції. Він м'який, легко укладається, надійно ізольований. Щоправда, шар синтетики займає зайвий об'єм у вікнах та перешкоджає охолодженню. Іноді для цих цілей використовують старі багатожильні дроти у товстій гумовій ізоляції, які застосовують у потужних трифазних кабелях. Гуму легко видалити, а замість неї провід обмотати шаром якогось тонкого ізоляційного матеріалу. Третій спосіб - можна виготовити вторинну обмотку з декількох одножильних проводів - приблизно таких, якими намотана первинна обмотка. Для цього 2-5 проводів 1,6-2,5 мм акуратно стягують разом скотчем і використовують як один багатожильний. Така шина з декількох проводів займає невеликий об'єм і має достатню гнучкість, що полегшує її укладання. Якщо ж потрібний провід дістати важко, то вторинну обмотку можна виготовити з тонких, найбільш поширених проводів ПЕВ, ПЕЛ 0,5-0,8 мм, хоча для цього доведеться витратити годину-другу. Для початку потрібно вибрати рівну поверхню, де жорстко встановити два кілочки або гачка з відстанню між ними, що дорівнює довжині дроту вторинної обмотки 20-30 м. Потім між ними протягнути без прогину кілька десятків жил тонкого дроту, вийде один витягнутий пучок. Далі один з кінців пучка від'єднати від опори і затиснути в патрон електро- або ручного дриля. На невеликих оборотах весь пучок у трохи натягнутому стані, закручується в єдиний провід. Після скручування довжина дроту трохи зменшиться. На кінцях багатожильного дроту, що вийшов, потрібно акуратно обпалити лак і зачистити кінчики кожного проводка окремо, а потім надійно спаяти все разом. Після всього провід бажано ізолювати, обмотавши його по всій довжині шаром, наприклад скотчу.
   Для укладання обмоток, кріплення дроту, міжрядової ізоляції, ізоляції та кріплення магнітопроводу знадобиться тонкий, міцний та теплостійкий ізоляційний матеріал. Надалі буде видно, що в багатьох конструкціях зварювальних трансформаторів об'єм вікон магнітопроводу, в які необхідно укладати кілька обмоток товстими проводами, дуже обмежений. Тому в цьому «життєво важливому» просторі магнітопроводу доріг кожен міліметр. При мінімальних розмірах сердечників ізоляційні матеріали повинні займати якнайменший обсяг, тобто. бути якомога тоншим і еластичним. Поширену ПХВ ізоленту можна виключити відразу з застосування на ділянках трансформатора, що гріються. Навіть при незначному перегріві вона стає м'якою і поступово розповзається або продавлюється дроти, а при значному перегріві плавиться і піниться. Для ізоляції і бандажа можна використовувати фторопластовые, скло- і лакотканевые кіперні стрічки, а між рядами - стандартний скотч. Скотч можна віднести до найзручніших ізоляційних матеріалів. Адже маючи клейку поверхню, малу товщину, еластичність, він досить теплостійкий і міцний. Тим більше, що зараз скотч продається майже скрізь на котушках різної ширини та діаметрів. Котушки малих діаметрів якнайкраще підходять для протяжки через вузькі вікна компактних магнітопроводів. Два-три шари скотчу між рядами дроту практично не збільшують обсяг котушок.
   
   І нарешті, найважливіший елемент будь-якого трансформатора - магнітопровід. Як правило, для саморобок використовуються магнітопроводи старих електроприладів, які до того нічого спільного зі зварювальним трансформатором не мали, наприклад, великі трансформатори, автотрансформатори (Латри), електродвигуни. Найбільш важливим параметром магнітопроводу є його площа поперечного перерізу (S), яким циркулює потік магнітного поля. Для виготовлення трансформатора підходять магнітопроводи з площею перерізу 25-60 см2 (частіше 30-50 см2). Чим більший переріз, тим більший потік зможе передавати магнітопровід, тим більшим запасом потужності має трансформатор і тим менша кількість витків містять його обмотки. Хоча оптимальна площа перерізу магнітопроводу, найкращі характеристики при середній потужності 30 см2.
  Існують стандартні методики розрахунку параметрів магнітопроводу та обмоток для схем зварювальників промислового виготовлення. Однак для саморобок ці методики практично не придатні. Справа в тому, що розрахунок згідно зі стандартною методикою ведеться для заданої потужності трансформатора, причому тільки в одному варіанті. Для неї окремо розраховують оптимальне значення перерізу магнітопроводу та кількість витків. Насправді, площа перерізу магнітопроводу для тієї ж потужності може бути в дуже широких межах. Зв'язку між довільним перетином та витками у стандартних формулах немає. Для саморобних зварювальних трансформаторів зазвичай використовують будь-які магнітопроводи, і зрозуміло, що знайти сердечник з «ідеальними» параметрами стандартних методик практично неможливо. На практиці доводиться підбирати витки обмоток під існуючий магнітопровід, виставляючи цим необхідну потужність.
   Потужність зварювального трансформатора залежить від низки параметрів, врахувати які у звичайних умовах неможливо. Однак найважливішими серед них є кількість витків первинної обмотки та площа перерізу магнітопроводу. Співвідношення між площею та кількістю витків і визначатиме робочу потужність. Для розрахунку трансформаторів, призначених для зварювання 3-4 мм електродами та працюючих від однофазної мережі з напругою 220-230, пропоную використовувати наступну наближену формулу, отриману мною на основі практичних даних. Кількість витків N=9500/S (см2). При цьому для трансформаторів з великою площею магнітопроводу (більше 50 см2) та відносно високим ККД можна рекомендувати збільшити кількість розрахованих за формулою витків на 10-20%. Для трансформаторів, що виготовляються на сердечниках з невеликою площею (менше 30 см), можливо, доведеться, навпаки, зменшити на 10-20% кількість розрахункових витків. Крім того, корисна потужність визначатиметься ще рядом факторів: ККД, напругою вторинної обмотки, напругою живлення в мережі. (Практика показує, що мережна напруга в залежності від місцевості та часу може коливатися в межах 190-250). Важливе значення має й опір лінії електропередачі. Складаючи всього одиниці Ома, воно практично не впливає на показання вольтметра, що має великий опір, але може сильно гасити потужність трансформатора. Особливо може позначатися вплив опору лінії у віддалених від трансформаторних підстанцій місцях (наприклад, дачі, гаражні кооперативи у сільській місцевості, де лінії прокладені тонкими проводами з великою кількістю з'єднань). Тому спочатку точно розрахувати вихідний струм для різних умов, навряд чи можливо це можна зробити тільки приблизно. Намотуючи первинну обмотку, її останню частину краще виконати з 2-3 відводами через 20-40 витків. Таким чином, можна підрегулювати потужність, обравши оптимальний для себе варіант, або підлаштуватися під напругу мережі. Для отримання зварювального трансформатора більш високих потужностей, наприклад для роботи 4 мм електродом на струмах, великих 150 А, необхідно ще зменшити кількість витків первинної обмотки на 20-30%. Але слід пам'ятати, що зі збільшенням потужності зростає і щільність струму у дроті, а значить, інтенсивність розігріву обмоток. Вихідний струм можна також трохи підвищити збільшенням кількості витків вторинної обмотки, щоб вихідна напруга холостого ходу підвищилася з передбачуваних 50 до більш високих значень (70-80 В).
                                                                                         
   Включивши первинну обмотку в мережу, треба виміряти токхолостого ходу, він повинен мати велике знання (0,1-2 А). (При включенні зварювального трансформатора до мережі відбувається короткочасний, але потужний стрибок струму). Загалом струму холостого ходу. не можна судити про вихідну потужність тр: він може бути різним навіть для однакових типів трансформаторів. Проте, дослідивши криву залежності струму холостого ходу від напруги, що живить зварювальник, можна більш впевнено судити про властивості трансформатора. Для цього первинну обмотку необхідно підключити через ЛАТР, що дозволить плавно змінювати напругу на ній від 0 до 250 В. Вольт-амперні характеристики трансформтора в режимі холостого ходу при різних кількостях витків первинної обмотки показані на малюнку, де 1 обмотка містить мало витків; 2 - трансформатор працює при максимальній своїй потужності; 3, 4 - помірна потужність. Спочатку крива струму порожня, майже лінійно зростає до невеликого значення, потім швидкість зростання збільшується - крива плавно загинається вгору, після чого слідує стрімке збільшення струму. Коли прагнення струму до нескінченності відбувається до точки робочої напруги 240 В (крива 1), то це означає, що первинна обмотка містить мало витків, і її необхідно домотати (треба враховувати, що зварювальний трансформатор, включений на напругу без ЛАТРа, буде споживати струм приблизно на 30% більше). Якщо точка робочої напруги лежить на згині кривої, то трансформатор видаватиме свою максимальну потужність (крива 2, струм зварювання порядку 200 А). Криві 3 і 4 відповідають випадку, коли трансформатор має ресурс потужності та незначний струм холостого ходу: більшість саморобок орієнтовані на цей випадок. Реально струми холостого ходу є різними для різних типів зварювальних трансформаторів: більшість лежить в інтервалі 100-500 мА. Я не рекомендую встановлювати струм неодруженого ходу більше 2 А.

  До списку статей
 

Всього коментарів: 0

Залишити коментар

Ваш email не буде опубліковано.

ru_RURU